CC BY
31
A. В. ЗАХАРЕВИЧ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической
и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия Н. В. БАРАНОВСКИЙ, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
B. И. МАКСИМОВ, канд. техн. наук, доцент кафедры теоретической
и промышленной теплотехники Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 614.841.12:533.6
ЗАЖИГАНИЕ ТИПИЧНЫХ ЛЕСНЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ ОПАДА ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД ЛОКАЛЬНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ
Представлены результаты экспериментального исследования процессов зажигания типичных лесных горючих материалов опада широколиственных пород (листья березы). В качестве источника возгорания использована нагретая до высоких температур частица стали. Получены зависимости времени задержки зажигания листьев березы от начальной температуры частиц. Проведено сравнение интегральных характеристик зажигания лиственных и хвойных лесных горючих материалов при локальном нагреве.
Ключевые слова: время задержки зажигания; предельные условия; лесной горючий материал; лиственное дерево; частица.
Введение
Согласно характерным признакам образующих лесные угодья пород в настоящее время многие лесные массивы представлены смешанными лесами с включением ряда лиственных деревьев [1]. На территории Российской Федерации типичной лиственной породой является береза (ее ареалы охватывают практически все регионы страны [2]). Например, в Тимирязевском лесхозе Томской обл. береза составляет более 20 % от общего числа хвойных и лиственных пород [3].
Лесные массивы подвержены влиянию пироген-ного фактора [1]. Пожары возникают не только в лесах, представленных одной или несколькими хвойными образующими породами, но и в смешанных древостоях [1]. Пожары в смешанных лесах представляют собой дополнительный негативный фактор влияния, так как приводят к смене хвойных пород лиственными. Как известно [4], экологическая роль лиственных лесов ниже по сравнению с массивами, представленными хвойными породами деревьев.
Пожары могут возникать в результате разных причин [5]. Теоретически установлено [6-8], что нагретые до высоких температур частицы могут быть источниками возгораний лесных горючих материалов (ЛГМ). Представляет интерес экспериментальное определение основных закономерностей про-
цессов зажигания опада лиственных пород локальными источниками повышенной температуры.
Цель работы — экспериментальное исследование процессов взаимодействия локальных источников нагрева в виде частиц металлов и опада лиственных пород (на примере березы) и выявление предельных условий зажигания ЛГМ.
Объект и методика исследования
Объектом исследований являлись навески, сформированные из типичного ЛГМ — опада лиственных пород (листья березы). Слои моделировались хаотичной укладкой листьев на подложке. Плотность укладки соответствовала плотности опада лиственных пород в смешанных лесах.
Краткое описание берез, листья которых использовались для экспериментального исследования [2]: большинство видов берез—деревья высотой 30-45 м с обхватом ствола 120-150 см; кора у большей части берез белая, желтоватая, розоватая или красновато-бурая; листья очередные, цельные, по краю зубчатые, яйцевидно-ромбические или треугольно-яйцевидные, моносимметричные, с широким клиновидным основанием; жилкование листовой пластины совершенное перисто-нервное, боковые жилки оканчиваются в зубцах; листья содержат эфирные масла (вероятно, секвитерпеноиды, как в березовых почках) [9], даммаран (тетрациклический тритерпено-
© Захаревич А. В., Барановский Н. В., Максимов В. И., 2012
вый гликозид или тетрациклический сапонин) [10], кумарин, флавоноиды.
Следует отдельно описать морфологические характеристики объекта исследования: размеры типичного листа — 4 см в продольном направлении, 2,5 см — в поперечном (в самом широком сечении); конец листа заостренный.
Сбор листьев проводился в летнее время в августе. Как известно [11], реальные образцы ЛГМ могут быть морфологическими частями древесной растительности разного размера, разной степени разложения, различного местоположения по толщине слоя. Осуществлялся сбор живой растительности, чтобы минимизировать влияние степени разложения на исследуемые процессы.
Сушка ЛГМ проводилась в сушильном шкафу в течение нескольких часов. Удаление влаги из листьев продолжалось до состояния их полного высыхания, соответствующего условиям катастрофической пожарной опасности [12]. События 2010 г. в Центральной России [13] и 2009 г. в Австралии [14] показали высокую вероятность такого сценария и актуальность исследования именно катастрофических условий лесной пожарной опасности.
Эксперименты были проведены на установке [15] по методике [16] со стальными частицами в форме цилиндров размерами (диаметр й, высота Н, масса т): а) й = 6 мм; Н =13 мм; т = 2,5 г; б) й = 8 мм; Н =17 мм; т = 6,2 г. Выбор стали для изготовления частиц, используемых в качестве локального источника нагрева, обусловлен рядом причин.
1. В реальной практике источниками возгораний на лесопокрытых территориях являются в основном углеродистые частицы, образующиеся при раздувании ветром непотушен-ных костров. Однако нередки случаи возникновения пожаров при попадании на поверхность ЛГМ частиц, образующихся при сварке или резке металлов на лесопокрытых территориях.
2. Ранее были предприняты попытки проведения экспериментов с твердыми продуктами сгорания древесины, нагретыми до высоких температур. Установлено, что в этом случае очень трудно получить частицы, незначительно различающиеся по конфигурации и размерам. Но, как известно, форма частицы и ее характерные размеры сильно влияют на условия зажигания ЛГМ. Температура более крупной частицы, отделенной от большого образца обуглившейся древесины, как правило, значительно отличается от температуры малой по размерам частицы. Кроме того, их структура — пористость, размеры трещин, конфигурация поверхности пор также сущест-
венно различаются. Поэтому крайне сложно обеспечить стабильность и воспроизводимость условий экспериментов. По этим причинам использование металлических частиц с фиксированными постоянными размерами и не изменяющейся в процессе эксперимента структурой более предпочтительно.
3. В процессе предварительных постановочных экспериментов было также установлено, что главным параметром, определяющим условия и период индукции зажигания ЛГМ, является температура частицы. Отклонения на 50-100 К приводят к существенным изменениям в условиях зажигания ЛГМ. В то же время углеродистые частицы, образующиеся при сжигании, например, древесины при нагреве до высоких температур (более 1000 К), разрушаются, как правило, в результате физико-химических превращений и действия возникающих термических напряжений.
По этим причинам в качестве локального источника нагрева были выбраны стальные частицы. Проведенные при отработке методики экспериментальных исследований постановочные опыты показали, что частицы массой менее 2,5 г (и соответственно, с меньшими характерными размерами) даже при нагреве до высоких температур не инициируют зажигания исследуемого лесного горючего материала. Поэтому в экспериментах использовались только достаточно крупные частицы (характерные продольный и поперечный размеры соответственно не менее 13 и 6 мм). При проведении опытов частица выпадала на поверхность ЛГМ, как правило, так, как показано на рис. 1 (нагретая до высоких температур частица хорошо видна на кадре видеограммы).
По результатам статистической обработки экспериментальных данных рассчитаны доверительные интервалы определения времени задержки зажигания листьев березы с доверительной вероятностью Р = 0,95 [17]. Предполагалось нормальное распределение измеряемой величины (времени задержки зажигания ^^). Проводилось не менее пяти опытов с идентичной частицей при постоянной начальной температуре. По результатам 5-7 экспериментов были определены средние значения ^^, каждому из которых соответствует точка на рис. 2.
Результаты и обсуждение
Визуальные наблюдения и анализ кадров видеосъемки процессов зажигания опада из листьев березы позволяют описать следующий механизм возникновения возгорания ЛГМ в результате действия нагретой до высоких температур частицы. Первая непродолжительная стадия — инертный прогрев листа локальным источником повышенной темпе-
I
Рис. 1. Типичные кадры видеограммы: а — t = 0 с, инертный нагрев листа; б — t = 0,12 с, зажигание эфирных масел; в — t = 0,20 с, горение газообразных продуктов пиролиза
0,60 0,550,50 : 0,45 : 0,40 : 0,35 : 0,30 : 0,25 : 0,20 : 0,15-
одо-
0,05 : 1100
1125 1150
Рис. 2. Зависимости времени задержки зажигания от начальной температуры частицы (усредненные значения и аппроксимирующая кривая): 1, 2 — хвоя, частицаd = 8 мм, к = 17 мм; 3,4—хвоя, частица d = 6 мм, к = 13 мм; 5,6—листья, частица d =8 мм, к = 17 мм; 7,8—листья, частица d = 6 мм, к = 13 мм
ратуры. Затем процесс может идти двумя путями (в зависимости от ориентации листа относительно выпавшей частицы):
1) выпадение частицы на тыльную сторону листа: после инертного прогрева начинается термическое разложение ЛГМ с образованием газообразных продуктов пиролиза (сначала термическому разложению подвергается поверхностный слой листа). Происходит фильтрация в микропористой структуре ЛГМ продуктов пиролиза к поверхности контакта лист - частица, нагрев смеси горючего и окислителя и возгорание в газовой фазе;
2) выпадение частицы на лицевую сторону листа: после инертного прогрева начинается высокотемпературное испарение эфирных масел и аналогов терпеновых соединений. Происходит смешивание этих паров с кислородом воздуха и последующее взрывоподобное зажигание смеси в результате локального нагрева (визуально картина процесса в целом соответствует картине зажигания жидких топ-лив [15]). В ряде случаев зажигание происходит еще до значительного термического разложения ЛГМ, которое является следующей стадией. Газообразные продукты пиролиза вдуваются в разогретую область и усиливают очаг возгорания.
Следует отметить, что практически во всех опытах образование факела пламени наблюдалось по всему периметру частицы. В ряде случаев за доли секунды образовывался объемный факел пламени над всей поверхностью источника возгорания (по периметру и над частицей). Известно [18, 19], что при пиролизе древесины лиственных пород образуются газообразные, жидкие и твердые продукты термического разложения. В проведенных опытах также наблюдалось заметное образование жидких продуктов пиролиза березового листа.
Кадры типичной видеосъемки процесса зажигания представлены на рис. 1. Зависимости времени задержки зажигания от начальной температуры частицы приведены нарис. 2, а его доверительные интервалы — в табл. 1. Можно отметить, что, как и следовало ожидать по аналогии с зажиганием твердых конденсированных веществ [20], с ростом температуры частицы снижается время задержки зажигания tign, а вместе с ним и погрешность его определения. Эта закономерность проявляется тем более явно, чем больше размеры источника нагрева (см. табл. 1). При высоких (более 1275 К) температурах время задержки зажигания, как и в условиях модельных энергоемких конденсированных веществ [20], практически не зависит от размеров частицы. В то же время вблизи нижнего предела зажи-
Таблица 1. Доверительные интервалы времен задержки зажигания ЛГМ (листья березы) частицами
К Доверительный интервал tign, с, для частицы размером
й = 8 мм, Н =17 мм й =6 мм, Н = 13 мм
1113 ±0,054 Нет зажигания
1153 +0,083 +0,065
1193 +0,022 +0,075
1233 +0,027 +0,022
1273 +0,021 +0,011
1293 +0,011 +0,027
Таблица 2. Доверительные интервалы времен задержки зажигания ЛГМ (сосновая хвоя) частицами [21]
Доверительный интервал t¡gn, с, для частицы размером
й =8 мм, Н = 17 мм й =6 мм, Н = 13 мм
1153 +0,061 Нет зажигания
1173 Опыт не проводился +0,171
1193 +0,093 +0,115
1233 +0,090 +0,041
1273 +0,137 +0,065
1293 +0,022 +0,057
гания по начальной температуре частицы Т0 отличия по значениям tign для двух размеров частицы достигают почти 100%, хотя температура изменяется всего на 150 К.
Для сравнения в табл. 2 приведены доверительные интервалы времени задержки зажигания для сосновой хвои.
В экспериментах установлено, что выпадение нагретой частицы на лицевую сторону листа приводит к существенному ускорению процесса зажигания ЛГМ. Меньшие времена задержки зажигания (около 25 %) являются следствием реализации второго механизма зажигания, наличия эфирных масел и их высокотемпературного испарения.
Промежуточное положение по времени задержки зажигания занимает вариант выпадения частицы на заостренную кромку листа (рис. 3). В этом случае совместно протекают два описанных выше процесса. Однако разложение нижней части листа приводит к дополнительному отводу тепла от частицы и также характеризуется более высокими временами задержки зажигания. Кроме того, часть энергии отводится в подложку (в реальном лесном массиве в почву или подстилку) и окружающую среду
Аппроксимирующей кривой для листьев, как и для сосновой хвои (см. рис. 2), является прямая. Такая зависимость tign от Т0 существенно отличается
Рис. 3. Типичный кадр видеограммы зажигания при выпадении частицы на край листа
от аналогичных кривых, характерных для жидких и твердых топлив [15, 16, 20, 22, 23], что связано со структурной неоднородностью нагреваемого локальным источником элемента ЛГМ (листа) и условиями теплоотвода из зоны нагрева.
Сравнительный анализ зависимостей на рис. 2 показывает, что листьям березы соответствует меньшее значение нижнего предела зажигания по начальной температуре нагретой частицы Т0. Эта закономерность прослеживается как для частицы с характерными размерами (й =8 мм; Н =17 мм), так и для частиц меньшего размера (й =6 мм; Н = 13 мм). Следует также отметить, что времена задержки зажигания для листьев существенно меньше зависят от размеров частицы по сравнению с кривыми, построенными для сосновой хвои (при идентичных размерах частиц). Эта закономерность, скорее всего, обусловлена тем, что поперечные размеры отдельных листьев значительно (в десятки раз) больше размеров отдельных хвоинок. Соответственно, и условия тепло-отвода из зоны нагрева в этих двух рассмотренных случаях существенно различаются (рис. 4). Нагрев хвоинки осуществляется по поверхности, площадь которой в 3-4 раза меньше площади, с которой отводится теплота (нижняя и боковые грани). При выпадении нагретой частицы адекватных размеров на поверхность достаточно большого листа это отношение площадей будет обратным. Теплоотвод в условиях зажигания осуществляется в основном от лис-
Частица
и
Хвоинка
Лист
б
Рис. 4. Схема контакта хвоинки (а) и листа (б) с частицей цилиндрической формы
К
та только по направлению нормали к его поверхности. Переноса тепла по поперечной координате нет, потому что прогрев листа идет по очень большой по сравнению с хвоинкой площадке. Соответственно, и температура поверхности листа растет по сравнению с хвоинкой много быстрее. В итоге времена задержки зажигания этих двух видов ЛГМ отличаются в 2-2,5 раза (см. рис. 2). Для листьев березы характерны более низкие времена задержки зажигания во всем диапазоне исследуемых начальных температур нагретых частиц. Пороговое значение температуры частицы Т0, при котором ее размеры не влияют на время задержки зажигания ЛГМ, и для листьев, и для хвои составляет 1300 К.
Полученные экспериментальные данные являются основанием для вывода о высокой пожарной опасности частиц, образующихся при сварке и резке металлов вблизи сухих лесных горючих материалов опада лиственных пород.
В настоящее время интенсивно развивается де-терминированно-вероятностный метод прогноза лесной пожарной опасности [24,25], и проведенные исследования создают фундамент для построения общей теории зажигания опада лиственных пород и построения прогностических моделей пожароопас-ности для территории смешанных лесов.
Заключение
По результатам экспериментальных исследований типичного ЛГМ — опада широколиственных пород деревьев (листья березы) установлены нижние пределы по начальной температуре нагретой частицы, соответствующие зажиганию. Выявлен механизм зажигания опада лиственных пород. Выделены общие закономерности и различия в процессах зажигания опада лиственных и хвойных пород деревьев. Показано, что времена задержки зажигания этих двух видов ЛГМ отличаются в 2-2,5 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев Ю. Л., Акимов В. А., Соколов Ю. И. Лесные пожары на территории России: состояние и проблемы. — М. : ДЭКС-ПРЕСС, 2004. — 312 с.
2. Абаимов В. Ф. Дендрология. — М. : Академия, 2009. — 368 с.
3. Маценко В. В., Соколов А. Я., Калинин С. И. и др. Генеральный план противопожарного устройства лесов. Т. 1. Пояснительная записка. 5-99.14-17-ПМ. —Барнаул : Российский государственный проектно-изыскательский институт "Росгипролес", Алтайский филиал, 1999. — 139 с.
4. Фуряев В. В., Злобина Л. П. Глобальные изменения экологических функций бореальных лесов Евразии вследствие нарушенности их пожарами // Сибирский экологический журнал. — 2001. — №6. —С. 661-665.
5. Барановский Н. В., Кузнецов Г. В. Конкретизация неустановленных причин в детерминированно-вероятностной модели прогноза лесной пожарной опасности // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 6. — С. 24-27.
6. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Математическое моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2006. — Т. 15, № 4. — С. 42-46.
7. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей в плоской постановке // Химическая физика и мезоскопия.— 2011.—Т. 13, №2. — С. 173-181.
8. Кузнецов Г. В., Барановский Н. В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретой до высоких температур частицей // Бутлеровские сообщения. — 2010. — Т. 22, № 12. — С. 30-37.
9. Энциклопедический словарь лекарственных растений и продуктов животного происхождения / Под ред. Г. П. Яковлева, К. Ф. Блиновой. — 2-е изд., испр. и доп. — СПб. : СпецЛит, 2002. — С. 80-81.
10. ТринусФ.П. Фармако-терапевтическийсправочник. — 6-еизд. — К.: Здоров'Я, 1989. — 640 с.
11. Курбатский Н. П. Исследование свойств и количества лесных горючих материалов // Вопросы лесной пирологии. ИЛиД СО АН СССР. — Красноярск, 1970. — С. 5-58.
12. FlanniganM.D., Stocks B. J., WottonB. M. Climate Change and Forest Fires // Science of the Total Environment. — 2000. — Vol. 262, No. 3. — P. 221-229.
13. ДевисиловВ. А. Русский лес просит пощады и защиты! // Безопасность в техносфере. —2010. — № 6. — С. 3-7.
14. Country Fire Authority (Victoria state of Australia). URL : http://www.cfa.vic.gov.au/index.htm (дата обращения: 14.03.2012).
15. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Механизм зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, №5. —С. 39-42.
16. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И.Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 28-30.
17. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М. : Высшая школа, 2003.
— 479 с.
18. Kansa S. E., Perles H. E., Chaiken R. F. Mathematical Model of Wood Pyrolysis // Combustion and Flame. — 1977. — Vol. 29. — P. 311-324.
19. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними.
— Новосибирск : Наука, 1992. — 408 с.
20. Захаревич А. В., Кузнецов В. Т., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. — С. 54-57.
21. Захаревич А. В., Барановский Н. В., Максимов В. И. Зажигание лесных горючих материалов одиночными, нагретыми до высоких температур частицами // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 4. — С. 13-16.
22. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., ТаратушкинаГ. В. Зажигание конденсированного вещества"го-рячей" частицей // Химическая физика. — 2004. — Т. 23, № 3. — С. 67-72.
23. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., Таратушкина Г. В. Численное моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва.
— 2004. — Т. 40, № 1. — С. 78-85.
24. Барановский Н. В. Методика прогнозирования лесной пожарной опасности как основа нового государственного стандарта // Пожарная безопасность. — 2007. — № 4. — С. 80-84.
25. Барановский Н. В. Оценка вероятности возникновения лесных пожаров с учетом метеоусловий, антропогенной нагрузки и грозовой активности // Пожарная безопасность. — 2009. — № 1. — С. 93-99.
Материал поступил в редакцию 26 апреля 2012 г. Электронные адреса авторов: bet@tpu.ru; firedanger@narod.ru; elf@tpu.ru.
Из пожарно-технического энциклопедического словаря
ГОРЕНИЕ — сложная химическая реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции. При горении могут достигаться высокие (до нескольких тысяч кельвин) температуры, часто возникает пламя. К горению относятся различные экзотермические реакции высокотемпературного окисления топлива, разложение взрывчатых веществ, озона, ацетилена и др. Отличительная особенность горения — протекание химической реакции в условиях ее самоускорения. Механизмов самоускорения два — тепловой и цепной. При тепловом типе горения скорость химической реакции резко возрастает с повышением температуры и выделяющаяся в реакции теплота все более ее ускоряет. При цепном горении самоускорение происходит вследствие лавинообразного роста концентрации активных частиц-атомов или радикалов, стимулирующих химическое превращение.
ГОРЮЧЕСТЬ — способность вещества к самостоятельному горению. По горючести вещества разделяют на: 1) горючие, т. е. способные к самостоятельному горению после удаления источника зажигания; 2) негорючие, совершенно неспособные к горению. Горючесть вещества зависит от его агрегатного состояния к степени измельчения, а также от параметров состояния системы (в частности, температуры и давления). Горючесть изделия зависит от его формы, размера и взаимного расположения в изделии веществ с различной горючестью.
